（机械电子工程专业论文）花岗石异型面加工技术与工具磨破损实验研究.pdf

摘要 本文以意大利进口的s p e e d y 2 0 0 0 型数控加工中心上实验为基础，通过加工 齐鲁红花岗石1 4 圆弧面柬进行研究。 在成型加工实验中，工艺参数选取切削速度、进给速度和切削深度三个因素， 每个因素又选择三个水平，利用正交实验设计方法，综合考虑切削效率和刀具磨 损率的变化趋势，优化出在合理的刀具磨损率范围内，切削效率达到最佳的工艺 参数组合是切削速度为3 0 m s ，进给速度为5 0 0 r a m r a i n ，切削深度为1 42 m m 。在 此参数下，石材去除率为1 9 4 3 8 5 c m j m i n ，刀具磨损率为o 0 9 0 6 m m d m 3 ；通过方 差分析得出进给速度对花岗石异型面的切削效率和刀具的磨损率有高度显著的影 响。切削深度对切削效率和刀具的磨损率有显著的影响；通过回归分析，建立了 切削效率和刀具磨损率的数学模型： 成型修整加工实验是在切削深度一定的情况下，选择切削速度和进给速度两 个因素采用全面实验设计方法，优化成型修整加工的最佳工艺组合是切削速度 为4 0 m s ，进给速度为9 0 0 m m m i n ；通过双因素无重复方差分析得出切削速度和进 给速度对刀具磨损率都有高度显著的影响：利用回归分析，建立了成型修整加工 刀具磨损率的数学摸型。 通过在l e i c a 高倍体显微镜下观察会刚石颗粒的切削状态，研究金刚石异型 刀具的磨破损规律，建立金刚石异型刀具中金刚石单颗粒切削模型，推导单颗粒 的接触弧长和切削深度，分析工艺参数与金刚石单颗粒接触弧长和切深的关系： 通过观察花岗石切屑和异型面的表面切痕，研究花岗石异型制品加工的去除机制。 根据金刚石刀具异型区域各截面磨损速度不同，建立刀具异型面磨损速度数 学模型，并以此为依据提出刀具改进方案，即对金刚石异型刀具结块厚度的尺寸 进行补偿，以求刀具结块磨损均匀，提高刀具的切削性能和工艺性能。 本课题的研究旨在降低生产成本、提高加工效率，因此，其研究成果对我国 石材异型制品的加工生产具有现实指导意义；同时，课题的研究思路和研究方法 对石材异型制品加工的理论研究也将产生深远影响。 关键词花岗石；异型制品：高效加工；磨破损；金刚石；刀具 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , b a s e do ne x p e r i m e n t sw h i c hw e r ec a r r i e do u to ns p e e dy 2 0 0 0c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) m a c h i n i n gc e n t e ri m p o s e di ni t a l y , t h es t u d yw a s p r o c e s s e dt h r o u g hc u t t i n gt h eq u a r t e rs p e c i a l - s h a p e ds u r f a c eo nq l h o n gg r a n i t e a tt h ep r o f i l i n gm a c h i n i n ge x p e r i m e n t , t h et e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sw e r es e l e c t e d t h r e ef a c t s ：c u r i n gs p e e d ，f e e dr a t e ，a n dd e p t ho fc u t , e v e r yf a c tw a ss e l e c t e dt h r e e l e v e l st o o t h eo r t h o g o n a ld e s i g nw a ss e l e c t e df o rt h ee x p e r i m e u t t h eo p t i m a l t e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sw h i c ht h ew e a ro fc u t t e rw a sa tar e a s o n a b l es c o p ea n dt h e e f f i c i e n c yo fm a c h i n i n gw a sa sp o s s i b l e 觞h i g hw e r ec u t t i n gs p e e d3 0 m s ，f e e dr a t e 5 0 0 m m m i na n dd e p t ho fc u t1 4 2 m mb ys y n t h e t i c a l l ya n a l y z i n gt h ec h a n g i n gt r e n do f m a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dw e a l o fc u r e la tt h e s ep a r a m e t e r s ，t h es t o n er e m o v a lw a s 1 9 4 3 8 5 c m 3 m i na n dt h ew e a ro fc u r e rw a s0 0 9 0 6 m m d m 3 t h eh i g hs i g n i f i c a n t i n f l u e n c eb e t w e e nf e e dr a t ea n dm a c h i n i n g e f f i c i e n c ya n dw e a ro fc u t t e ra n ds i g n i f i c a n t i n f l u e n c eb e t w e e nd e p t ho fc u ta n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dw e a ro fc u r e rw e r e i n f e r r e db ya n a l y s i so fv a r i a n c e t h em a t h e m a t i cm o d e l so fm a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n d w e a ro f c u r e rw e r ef o u n d e db ya n a l y s i so f r e g r e s s i o na b o u te x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ee x p e r i m e n to fm o l d i n gf i n i s h i n gm a c h i n i n gw a sc a r r i e do u tb a s e do nt h e i m m o v a b l ed e p t ho fc u t , c u ts p e e dw h i c hw a ss e l e c t e dt h r e el e v e l sa n df e e dr a t ew h i c h w a ss e l e c t e df o u rl e v e l sw e r es e l e c t e da st w oe x p e r i m e n tf a c t o r s t h eo p t i m u m t e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sw e r ec u ts p e e d4 0 m sa n df e e dr a t e9 0 0 m m m i n t h eh i g h s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eb e t w e e nc u ts p e e d , f e e dr a t ea n dw e a ro fc u t t e rw e r ei n f e r r e db y t w o - w a ya n a l y s i so fv a r i a n c e t h em a t h e m a t i cm o d e lo fw e a l o fc u r e ra b o u tm o l d i n g f m i s h i n gm a c h i n i n gw a sf o u n d e db ya n a l y s i so f r e g r e s s i o n t h ea b r a s i o na n dd i l a p i d a t i o nr u l e so fd i a m o n di r r e g u l a rc u r e rw e r es t u d i e db y o b s e r v i n gt h em a c h i n i n g s t a t e so fd i a m o n dt h r o u g hl e i c as t e r e o m i e r o s e o p e t h e m i l l i n gm o d e lo fs i n g l ed i a m o n di ni r r e g u l a rt o o lw a sf o u n d e da n dt h ec o n t a c t i n ga r c l e n g t ha n dd e p t ho fc mw e r ec a l c u l a t e dt o o t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt e c h n o l o g i c p a r a m e t e r sa n dc o n t a c t i n ga r cl e n g t h , d e p t ho fc u tw a sa n a l y z e di nd e t a i l e d t h e r e m o v e dt h e o r yo fs p e c i a l s h a p e dg r a n i t ew a ss t u d i e db yo b s e r v i n gc u r i n gc h i pa n d s u r f a c ei n f o r m a t i o no f i r r e g u l a rf a c e to f g r a n i t et h r o u g hs t e r e o m i c r o s e o p e t h em a t h e m a t i cm o d e lo fw e a rs p e e da b o u ti r r e g u l a rs u r f a c eo fc u t t e rw a sf o u n d e d l l a b s t r a c t b a s e do nt h ed i f f e r e n c eo fw e a l s p e e do fe v e r ys e c t i o n0 1 1i r r e g u l a ra r e a so fd i a m o n d c u t t e r b a s e do nt h e s et h ei m p r o v e m e n ts c h e m e so f c u t t e rw h i c hw a st h a tt h ed i m e n s i o n o fa g g l o m e r a t i o n sw a sc o m p e n s a t e dt ou n i f o r mw e a ro fc u t t e rw e r ep r o p o s e d ，s ot h e c u r i n gp e r f o 珊a n c ea n dt e c h n o l o g i cc a p a b i l i t yw e r ei m p r o v e d t h ei n v e s t i g a t i v et a r g e to ft h i ss u b j e c tw a st or e d u c et h ec o s ta n dt oe n h a n c e e f t i e i e n c yo f m a c h i n i n g s ot h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sw e r ei n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c et o p r o d u c t i o no fs p e c i a l - s h a p e ds t o n e si nc h i n a a tt h es a m et i m e ，t h ei n v e s t i g a t i v e t h i n k i n ga n dw a y si nt h i sp a p e rw o u l dp r o d u c ef a r - r e a c h i n gi n f l u e n c et ot h e o r yo f m a c h i n i n gs p e c i a l - s h a p e ds t o n e k e y w o r d sg r a n i t e ；s p e c i a l - s h a p e ds t o n e ；e f f i c i e n tm a c h i n i n g ；w e a r ；d i a m o n d c u r e r 1 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包肯任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：堑丝丝缝 日期 矽r “ 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被鸯阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文 论文作者签名 期：兰! ：? 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景和意义 花岗石以其硬度高、耐磨损，耐腐蚀、具有天然华贵、典雅大方的装饰效果 等优点使其在建筑装饰、生活用具、精密机械、仪器仪表、工艺制品等领域得到 广泛应用。在所有的石材制品中。花岗石异型制品尤显石材的艺术性和价值。目 前，社会对异型制品的需求量越来越大，许多石材加工企业都扩大异型制品的生 产规模，这大大促进了石材异型制品加工技术的发展。 我国石材异型制品生产的特点为多品种、小批量、订单式生产，且工期紧、 企业多、竞争激烈，因此，这种生产特点对加工设备提出了更高要求。自2 0 世纪 8 0 年代我国先后从意大利、日本、德国等国家引进了许多先进的异型加工设备。 另外，我国也自行研发了许多先进的异型加工设备，这使得我国在花岗石异型加 工设备上已经基本达到了国际先进水平。目前，大功率、综合化、智能化的先进 设备如数控加工中心等已应用到石材异型制品的生产加工当中。 但在石材异型制品加工工艺方面，我国至今还没有形成系统的、科学的工艺， 只有一些零碎的实验数据或者在生产中积累的经验数据，造成在异型制品的加工 质量和加工效率上跟国外相比差距还很大。日本、意大利等少数几个国家掌握着 先进的加工工艺，其关键技术对外控制极其严格，这使他们牢牢地控制着国际石 材异型制品的市场。 在金刚石异型刀具方面，我国目前的状况是品种多、需求量大。但在刀具的 使用寿命和切削效率上还赶不上国外同类产品。金刚石刀具属于耗材，这使得我 们的加工成本很难降下来，市场竞争力还很难超过国外的厂家。 据不完全统计，由于真正具有高技术含量的金刚石异型刀具和相应异型制品 加工工艺的落后，严重制约着我国石材异型制品生产的发展。一些石材厂家引进 国外先进的加工设备以后，由于加工工艺不合理，不能很好的发挥设备的优异性 能。同时，由于国外金刚石刀具的价格非常昂贵，这种高价位的刀具使得国内的 厂家，在性能价格比很低的情况下，不得不选用国产普通工具。将国产普通金刚 石异型刀具使用在进口的设备上，往往会出现工具与机床的性能不匹配的现象， 使得进口设备的优异性能得不到充分发挥。因此，很多厂家将进口设备的自动化 改为手工控制，甚至使设备闲置，造成资源的严重浪费。因此，充分发挥高档异 型制品加工设备要以先进的加工工艺和优良的金刚石异型刀具为前提。 本课题就是在这种背景下提出来的。饰面花岗石作为一种典型的脆性材料， 其平面磨抛的加工机理与加工工艺已得到国内外很多专家、学者的重视和研究， 并取得了很多有价值的成果。但在花岗石异型制品加工方面至今还没有进行广泛 深入地研究，尤其在金刚石异型刀具的磨破损规律以及工艺参数( 切削速度、进 给速度、切削深度等) 的优化组合实现高效加工方面。 本课题的研究旨在降低生产成本、提高加工效率，一方面可以直接用来指导 生产，提高石材异型制品的加工效率和质量，具有重大的经济效益和社会效益： 另一方面为改进金刚石异型刀具提供理论依据和实验数据，研制新型金刚石刀具， 提升我国金刚石异型刀具的切削性能和工艺性能。因此，其研究成果对我国石材 异型制品的加工生产具有现实指导意义；同时，课题的研究思路和研究方法对石 材异型制品加工的理论研究将产生深远影响。 1 2 石材的基本性能 1 2 1 石材的组分 石材是指从沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩系的天然岩体中开采出来，经过 加工、整形而成板状、块状和柱状材料的总称。凡是具有一定块度、强度、稳定 性、可加工性以及装饰性能的天然岩石，均称为石材。石材按照其基本特点或成 分可以分为大理石( m a r b l e ，m ) 、花岗石( g r a n i t e ，g ) 和板石( s l a t e ，s ) 三大 类。花岗石在商业上指以花岗岩为代表的一类装饰石材，包括各类岩浆岩和花岗 岩的变质岩，一般质地较硬；大理石在商业上指以大理岩为代表的一类装饰石材， 包括各种碳酸盐岩和与其有关的变质岩，主要成份为碳酸盐矿物，般质地较软； 板石具有天然的层片结构，可按需要的厚度沿层面劈开，表面呈天然的质朴感， 其二氧化硅含量一般较高，质地坚硬致密。 一般能作为石材的岩石都是由种或几种主要的矿物组成的，它们分别是正 长石、斜长石、辉石、角闪石、橄榄石、白云母、黑云母、蛇纹石、高岭土、石 英、方解石、白云石等。这些矿物的分子式、莫氏硬度及晶形如表卜1 所示。 2 表1 - 1 组成岩石的各矿物的分子式、莫氏硬度及晶形 矿物名称 分子式 莞氏硬度晶形 正长石 k a i s i s o s 】 6 单斜 斜k 右 c a a | 2 s i z 仉】，n a a i s i 3 0 s l 6 三斜 辉石 c a ( m g ，r c ，a i ) 2 l ( s i ，a l m 0 6 5 6 单斜 角闪石 c a 2 n a ( m g ，f e 2 + m a l ，f e l ( s i , a l k o n 2 o h l 5 5 6 单斜 橄榄石 ( m g ，r e ) 2 s i 0 1 65 7 斜方 自云母 k a l 2 a i s i s p t o ( o h l 2 2 5 3 单斜 黑云母 k ( m g , f e ) s a i s i 3 0r o f , o h 22 5 3 单斜 蛇纹石 m g s i 4 0 1 0 【o h k 3 4 单斜 高岭七 a h 【s i 4 0 1 0 l o h k l 单斜 石英 s i o z 7 六方 五髂矗c a c 0 13 六方 自云石 c a m g c o 3 3 5 4 六方 1 2 2 石材的物理特性 石材的物理性质主要是指颜色、光泽、硬度、耐磨性、机械强度( 抗压、抗 拉、抗剪强度) 、密度吸水率、孔隙度、耐酸度、耐碱度等“。 ( 1 ) 颜色及光泽 石材的颜色是指岩石中各种矿物对不同波长的可见光选择性吸收和反射，在 人眼中引起的感觉而呈现出的各种色彩。而光泽则是五材磨光面对可见光的反射 能力。石材的瑰丽颜色以及光亮照人的闪烁光泽是弩凳所含矿物成分及结构密切 相关的。石村光泽的强弱用光泽度来表示，它可以用反射率置来表示，即矿物表 面的正反射强度( j 与垂直入射强度( z j 的百分比 且；生、 -t100(1-1。 从上式中可以看出当入射光强度一定时，反射光的强度愈大，矿物的反射 率愈高，光泽愈强。 为了更好反映饰面石材的光泽性能，一般不直接用反射率，而用光泽度来表 示。所谓光泽度，就是饰面石材的磨光面对斜照光的镜面反射能力的相对大小。 光泽度可用数字光泽度计来测量。一般数字光泽度计入射光的入射角为6 0 。，测定 用的标准板是折射率为1 5 6 7 的黑玻璃，它在6 0 。斜照光的镜面反射翠足= 59 7 ，以 r = 5 9 7 的黑玻璃作标准，将其光泽度定为1 0 0 ，而将折射率为1 5 4 0 的黑玻璃指定 为9 4 光泽单位。其它矿物的相对光泽度则以相对黑玻璃的镜面反射能力的大小来 表示，即矿物的相对光泽度( 简称光泽度) 。 g = 糕鬻需黼川。 c ，七， 。 标准黑玻璃面反射光强。 “。 ：等曼1 0 0 ( 1 - 3 ) 2 丽。 a s t m ( a m e r i c a ns o c i e t yo f t e s t i n gm a t e r i a l s ) 公报对光泽度的定义如下：光 泽是使材料发亮的或象镜子般的外貌的一种表面特性即材料表面具有优良的镜面 反射能力。镜面光泽度的定量表示为： g s = f f h 十甲，f i w l ) k ( 1 4 ) 式中硝_ 一光泽度( 单位为光泽单位) ； 订嘶l 在规定的光源角盯内，入射到材料表面的光通量： f v w v 在规定的接收场角阡y 内，从材料表面反射后，接收到的 光通量： ，y t n 7 订聊表示镜面反射率； 待定系数，取决于定标条件。 ( 2 ) 硬度 石材的硬度是指岩石抵舞某种外来机械作用力的能力。它与岩石的化学成分、 矿物成分、岩石结构有关。岩石的硬度通常分为相对硬度和绝对硬度两种。 相对硬度是选用十五种( 旧莫氏硬度选用十种) 矿物作为标准，按硬度大小 顺序分为十五级，后一种矿物能够刻划前一种矿物，这种硬度标准叫莫氏硬度， 如表l - 2 所示。莫氏硬度表示了材料抵抗表面局部断裂的能力。 绝对硬度是利用仪器硬度计来进行测定的，石材工业通常用肖氏硬度计进 行岩石的绝对硬度测量，这种硬度值被称为肖氏硬度。大理石的肖氏硬度一般在 3 5 5 5 之问，花岗石的肖氏硬度一般在6 0 9 0 之间，如表1 - 2 所示。 目前，在研究石材硬度指标中也广泛使用显微硬度。显微硬度是考虑各种矿 物在石材中的分却和所占的权重综合描述石材的硬度。表1 - 2 也列出了一些矿物在 常规情况下的显微硬度。 表i 2 矿物的莫氏硬度及显微硬度表 矿物名 i 开更氏硬度新荚氏硬度 显微硬度( k m m 2 ) 滑开 il24 石膏 223 6 方解石 331 0 9 萤石 441 8 9 磷灰石 555 3 6 止石 667 9 5 石英玻璃 6 - 57 打英 78 8 2 0 黄玉 891 4 2 7 罩i 榴石 b 31 0 1 3 6 0 熔融氧化锆 8 7 1 l 剐玉 91 22 0 0 睨3 0 0 碳化硅 931 3 3 1 0 0 _ 3 4 0 0 碳化硼 951 43 7 0 0 5 0 0 0 金刚“ 1 0【01 0 6 0 0 ( 3 ) 耐磨性 石材的耐磨性是指石材抗磨损的能力，是一种反映石材研磨抛光的难易程度 的指标。石材的耐磨性能随岩石硬度的增高而增加。石材的耐磨性以耐磨率表示， 耐磨率是衡量饰面板材质量优劣的重要指标。耐磨率过低则矿石松散不易打光， 过高则矿石过硬不易研磨提高由工成本。 ( 4 ) 强度 石材的强度是指岩石抵抗外力作用的能力。它包括石材的抗压、抗剪和抗拉 强度。石材强度主要取决于岩石的成因、矿物成分、岩石结构构造、风化程度、 含水率、微裂隙的发育程度及裂隙充填物的性质等因素，同时也与测试时的条件 有关。 一般由岩浆岩一变质岩一沉积岩。岩石的强度由高变低。在结构构造等条件 相同的情况下，岩石的强度随大硬度矿物的含量增加而提高。强度还随矿物颗垃 大小变化而变化一般细粒岩石强度较粗粒商。矿物颗粒的形状对石材强度也有很 大影响，多种形状矿物无规则排列，较完全由颗粒状矿物组成的岩石强度高。石 材机械强度还随岩石的密度增加而增大，随孔隙度和含水率增大而降低。 ( 5 ) 坚固性 石材的坚固性是指石材在各种外力作用下被破坏的相对难易程度，它是用以 衡量石材矿山开采难易及其分级的标准。常用孥固系数，表示。一般值越大，则 表明岩石越峰固。岩石坚固性的大小主要与组成岩石矿物的硬度、矿物的单一程 度与均匀程度、矿物颗粒的大小与形状、岩石的构造等条件密切有关。 ( 6 ) 密度 石材单位体积的质量即石材的密度，以g e m 3 表示。石材的密度主要取决于岩 石矿物成分、孔隙大小与数量，含水量等。 ( 7 ) 吸水性 石材吸收水分的性质称吸水性，所含水分的多少以吸水率表示。石材的吸水 性取决于某些矿物本身的亲水性能。若石材中含有蛭石、蒙脱石等膨胀性强的矿 物时，吸水后对石材质量影响极大。吸水率还与岩石的孔隙率的大小及孔隙特征 密切相关，一般孔隙率愈大则吸水率也愈大。但对封闭的孔隙，因水不能贯通， 虽孔隙率大，吸水率不一定大。同一类岩石的吸收率低时，岩石的抗风化能力就 强；反之则弱。 ( 8 ) 耐酸碱性 石材的耐酸碱性能用耐酸碱度来衡量。花岗石具有很好的耐酸碱性能，既耐 腐蚀又耐磨蚀，因此广泛用于各种酸碱反应设备或作容器的防腐内衬，愈来愈多 的建筑物的外装饰及地面、楼梯板等采用花岗石。大理石不耐酸碱腐蚀，也不耐 磨，只能用作室内装饰材料。 1 3 石材异型制品的定义与分类 石材异型制品是指除矩形板材制品以外的其它所有石材制品，石材异型制品 种类繁多、形式多样，因此，其分类方式也很多，被行业公认的主要是按制品的 特点和加工方式进行分类： ( 1 ) 平面异型制品 平面异型制品指形状以二维图形为主的台板面制品，一般带有边缘花线。如 卫生间面盆板、厨房灶台板、花线条、拼花板材等，如图1 - 1 所示是几个平面异型 制品的样品。 6 图i - i 平面异型制品 ( 砻曲面异型制品 曲面异型制品指具有公共母线或对称中线的曲面板材制品，如内外圆弧形、s 形或波浪形等墙面、柱面用板材制品，如图1 2 所示。 幽l - 2 曲面异型制品 ( 3 ) 实体回转面制品 实体回转面制品指具有对称中线的柱体制品，如圆柱、工艺花瓶、栏杆柱、 扭纹柱、球体、罗马柱、柱座等，加工设备具有回转装置，如图1 3 所示。 图l 一3 实体回转面制品 ( 4 ) 雕刻制品 雕刻制品是指没有对称中线以及具有复杂形面的异型制品，包括平面浮雕和 立体雕刻，如画框、透雕窗格、壁炉饰面、各种楼梯扶手、立体人像、动植物雕 刻品等，如图1 - 4 所示。平面浮雕所需加工设备至少需要三维方向的运动；立体雕 刻设备一般需采用激光扫描器预先对制品模型进行扫描，然后通过三维激光扫描 软件将扫描后的图像直接转换成c a m 加工程序，所需加工设备一般应具有四维方 向的运动，般采用数控加工中心加工。 图l q 雕刻制品 从以上石材异型制品的分类可以看出，无论多么复杂的异型制品，都是由基 本的点、线、面组成的。因此，对异型制品加工的实验研究可以基于基本的异型 7 制品的加工来研究，找出加工规律，然后应用到所有的异型制品加工中。本课题 的实验就是基于基本的1 4 圆弧的花线加工来进行实验研究的。 1 4 本课题的研究内容及章节结构 本课题以在意大利进口的s p e e dy 2 0 0 0 型数控加工中心上实验为基础_ 通过 切削加工齐鲁红花岗石u 4 异型面来研究工艺参数与切削效率和刀具磨破损率的 关系，优化工艺参数组合，实现花岗石异型制品的高效加工。通过在l e i c a 高倍 体显微镜观察金刚石异型刀具磨破损情况，研究刀具的磨破损规律，建立金刚石 单颗粒切削模型。在此基础上。提出改进金刚石异型刀具的方案及理论依据，研 制新型金刚石异型刀具。论文结构安排如下： 第1 章：在高档设备上加工石材异型制品，我国至今还没有形成系统的，科 学的加工工艺，只有一些零碎的实验数据或者在生产中积累的经验数据，造成了 异型制品的加工质量和加工效率跟国外相比差距很大；在金刚石异型工具方面， 我国生产的异型工具在磨削性能和工艺性能上还赶不上外国产品，使得生产成本 居高不下，这严重制约了我国石材异型制品生产的发展。 本课题的研究旨在降低生产成本、提高加工效率，因此，其研究成果对我国 石材异型制品的加工生产具有现实指导意义；同时。课题的研究思路和研究方法 对石材异型制品加工的理论研究也将产生深远影响。 第2 章：根据加工花岗石i 4 异型面的实际过程将实验研究分为花岗石异型面 成型加工和成型修正加工两个过程。 在成型加工实验中，工艺参数选取切削速度、进给速度和切削深度三个因素， 每个因素又选择三个水平，利用正交实验设计方法进行实验研究，综合考虑切削 效率和刀具磨损率的变化趋势，利用趋势图和极差分析，优化出在合理的刀具磨 损率范围内，切削效率达到最佳的工艺参数组合。对实验结果进行方差分析，研 究工艺参数对切削效率和刀具磨损率影响的显著性。通过回归分析，建立了切削 效率和刀具磨损率的数学模型。 成型修整加工实验是在切削深度一定的情况下，选择切削速度和进给速度两 个因素，切削速度选择三个水平，而进给速度选择四个水平，采用全面实验设计 方法，优化出成型修整加工的最佳工艺组合，对实验结果进行双因素无重复方差 8 分析，分析工艺参数在成型修整加工过程中对刀具磨损影响的显著性。利用回归 分析，建立成型修整加工刀具磨损率的数学模型。 第3 章：通过在l e i c a 高倍体显微镜下观察刀具的磨破损，研究金刚石颗粒 的切削状态及磨损规律，建立金刚石异型刀具中金刚石单颗粒磨削模型，推导出 金刚石单颗粒的接触弧长和切削深度，分析工艺参数与金刚石单颗粒接触弧长和 切深的关系；通过在高倍体显微镜下观察花岗石切屑和异型面的表面状况，研究 花岗石异型制品加工的去除机制。 第4 章：根据金刚石刀具异型区域各截面磨损速度不同，建立刀具异型面磨。 损速度数学模型，并以此为依据提出刀具改进方案，即对金刚石异型刀具结块厚 度的尺寸进行补偿，以求刀具结块磨损均匀，提高刀具的切削性能和工艺性能。 9 第2 章花岗石异型面高效j n - r 技术实验研究 花岗石异型制品的加工有很多是属于成型加工。成型加工一方面可以简化加 工过程，使一些复杂的形状易于加工实现，另一方面可以提高加工效率，降低生 产成本。而工件的成型效果包括精度、表面质量和去除率等，它们是由参与加工 过程的刀具，设备及工艺参数决定的，因此提高j n - l - 效率的途径可以从上述参数 中寻求。切削效率的大小一般用材料的去除率表示，表面质量可以用光泽度、形 位精度来表示。 2 1 高效力n - r - 技术研究现状 目前，高效加工技术在各个加工领域都得到了专家、学者的高度重视，尤其 是金属加工领域，高效加工技术研究已取得了很多的研究成果。 2 1 1 金属加工领域高效磨削加工技术研究现状 为了提高磨削效率及磨削质量，在金属加工领域广泛采用高速磨削、缓进磨 削、高效深切磨削、砂带磨削等高速高效磨削加工技术2 1 。 ( 1 ) 高速磨削 高速磨削( h s o - h i g hs p e e dg r i n d i n g ) 是提高磨削效率的重要途径之一，一般 把砂轮线速度为3 0 3 5 m s 的磨削称为普通磨削，普通磨削的磨除率为1 - 5 0 m m 3 s 。 把砂轮线速度在4 5 m s 以上的磨削通称为高速磨削，现在高速磨削砂轮线速度可 达6 0 2 5 0 m s ，工件进给速度为1 0 0 0 1 0 0 0 0 m m i n 。在线速度为6 0 1 2 0 m s ，使用普 通砂轮时，每毫米砂轮宽度去除率可提高到5 0 0 1 0 0 0 m m 3 s ；线速度在1 2 0 - 2 5 0 m s ， 使用c b n ( 立方氮化硼) 砂轮去除率可达2 0 0 0 m m 3 s 。提高砂轮线速度，可以降 低磨削力，提高材料去除率，减少砂轮消耗，提高工件加工质量。 ( 2 ) 缓进磨削 缓进磨削( c f g - c r e e pf e e dg r i n d i n g ) 的主要特点是切深大( 从几m i l l 到十几 舢，最大达3 0 m m 以上) ，进给速度低，以使砂轮和工件接触弧长大大增加，单位 时间内参加切削的磨粒数大大增多，因而磨削效率高，单位宽度金属切除率达 1 0 - 1 5 m m 3 m m s ，接触弧长增加也使接触面积增大，增加了总磨削力，但单颗磨粒 1 0 承受的磨削力却很小，所以磨损小，热负荷小，内应力也小，不仅能改善尺寸形 状精度，而且能改善加工表面质量。 ( 3 ) 高效深切磨削 高效深切磨削( h e d g h i g he f f i c i e n c yd e e pg r i n d i n g ) 是在高速磨削与缓进给 磨削的基础上形成的，以加大磨削深度、提高砂轮速度及工件进给速度，获得高 的磨除率及高的磨削精度的高效加工工艺。高效深切磨削的砂轮速度为6 0 - 1 2 0 m s ， 甚至更高，工件进给速度1 0 0 0 2 5 0 0 m m m i n ，磨削深度达0 1 3 0 m m 。 ( 4 ) 砂带磨削 砂带磨削不仅能进行微量切除，也能进行大余量的高效磨削。砂带磨除率高， 磨削面积大，砂带深磨能一次切下3 5 m m 厚的金属层。 2 1 2 石材高效加工研究现状 石材加工领域对高效加工的研究相对于金属加工来说，差距还很大，目前主 要集中在石材组分对高效加工的影响【3 羽、花岗石高效锯切研究嘲及花岗石加工最 佳工艺参数研究7 。1 4 1 等几个方面。 ( i ) 石材组分对高效加工的影响 石材是由天然矿物组成的，成分复杂，其可加工性随着石材品种的不同有很 大的差异，因此，石材的组分对加工效率也有很大影响，部分学者试图通过对石 材本身的矿物成分、化学组分、硬度及矿物晶体结构的研究找出影响石材加工效 率的因素。邵国有等通过对花岗石的岩石学鉴定和磨削抛光实验，指出花岗石抛 光难易程度与花岗石矿物组成有密切关系。中国地质大学的谢晋等采用显微硬度 计1 3 j ，在1 0 种花岗石品种中，对造岩矿物的显微硬度分别进行检测，研究了花岗石 表面显微硬度的分布规律，并且利用加权显微硬度值分析花岗石的可加工性。指出 花岗石的n i 效率与加权显微硬度具有显著的相关性。也就是说，花岗石的加权显 微硬度值越高，加工效率越低，即越难加工。花岗石的加权显微硬度，是衡量其可加 工性的关键指标。目前，我国常用耐磨率( g c m 2 ) 表示石材的耐磨性。由于石材成 分和结构构造的多样性及影响加工性的因素复杂，目前还没有一个单一的指标可 判断石材的可加工性。w r i g h t 和c a s s a p i 提出用锯切过程中产生的力来判断石材可 锯性，这一方法目前在西欧、日本等国已广泛应用。根据花岗石的可锯指数把花岗 石可锯性分为一、二、三类。采用耐磨率的倒数m ( c m 2 g ) 作为可磨性指数表示磨 削的难易程度。肘值越大，耐磨率越小。 在花岗石磨抛加工中，金刚石单颗粒切入花岗石深度小于6 0 8 0 岫，且各种 矿物不会以整体颗粒从岩体中脱落。而是以小于5 0 1 a n 左右的碎屑和碎片崩出，显 微硬度正好从微观上反映了某矿物抵抗外力的能力。同时，花岗石是一种含有多 种矿物的岩石，各矿物的显微硬度相差较大，加权硬度则从整体上较好地反缺了 花岗石的加工性能。当金刚石单晶以切入硬矿物的较小切深切削软矿物时，无法 发挥出工作效率。相反，以切入软矿物的较大切深切削硬矿物时，会使磨粒剧烈 磨损，无法正常工作。 ( 2 ) 花岗石高效锯切研究 华侨大学的徐西鹏等通过实验研究认为1 5 1 ，在锯切过程中起主要切削作用的是 固位在金属结合剂中的金刚石颗粒，因此，金刚石能否有效而充分地发挥其切削 作用是决定加工成本和能否实现高效锯切的关键。锯切中存在最佳载荷条件，在 该条件下，既足以使花岗石顺利解理，而作用到磨粒上的负荷又最佳。各种锯切 条件的选择应以围绕产生这最佳载荷条件为前提。 ( 3 ) 最佳工艺参数研究 在花岗石加工中，磨抛加工是重要的加工工序，这不仅决定了花岗石的最终 的加工质量，而且决定了花岗石制品的价值。因此，如何能达到最佳的磨抛效果 成为许多研究者的研究方向。山东建材学院的杨中喜等对芙蓉绿花岗石和平度白 花岗石的加工进行了研究1 6 川，找出了芙蓉绿和平度白花岗石石材抛光前适宜的光 泽度和高光泽度抛光工艺参数。他们的试验都是在手扶磨机上进行的，磨盘直径 3 5 0 r a m ，转速5 0 0 r m i n ，切削速度达到9 1 6 m s 。经过实验分析得出如下结论：芙蓉 绿花岗石加工的最佳细磨压力为0 0 0 8 2 m p a ，最佳精磨压力为0 0 8 2 0 1 2 3 m p a ，最 佳抛光压力为0 1 2 3 m p a ，花岗石抛光给水量和抛光压力之间有一定的相关性，在 最佳抛光压力条件下，芙蓉绿花岗石的给水量以2 2 7 m l s 为最好；平度白的最佳精 磨压力和最佳抛光压力都是0 1 2 3 m p a ，最佳抛光给水量为2 5 o m l s 。芙蓉绿花岗石 和平度白花岗石是两种不同性质的石材， 石在物理和力学性能上有着很大的差异， 而最终达到的磨抛效果也有所不同。 1 2 它们矿物组成如表2 1 所示。这两种花岗 因此，在选择最佳工艺上应有所不同， 表2 1 芙蓉绿和平度白花岗石矿物组成 矿物组成( ) 芙蓉绿平度白 石英 2 8 4 52 8 6 0 长石 8 7 8 39 5 2 5 黑云母 8 1 7 3 4 0 白云母 o 5 2 角闪石 2 7 0 副矿物 1 4 6o 8 8 果的影响i 1 ，实验是在手扶磨机上进行的，磨头直径3 5 0 m m ，转速3 6 0 r m i n ，因此 实验的切削速度达到6 5 9 4 m s ，得出的结论是：抛光时间与板面光泽度成二次曲线 关系，精细磨后的板面质量对抛光效果起着决定性的影响，不同的石材材质应选 用不同性能的抛光工具等。 山东建材学院的周长民等利用正交实验方法研究了花岗石磨削抛光的最佳工 艺参数【i 羽，认为对磨削、抛光质量有显著影响的参数变量是细磨压力、精磨压力、 抛光压力和抛光给水量，选择的正交设计的因素和水平如表2 - 2 所示。实验是在手 扶磨机上进行的，磨盘直径3 5 0 m m ，转速5 0 0 r m i n ，切削速度达n 9 1 6 m s ，实验样 品为济南青花岗石，其物理及力学性能如表2 3 所示。经过实验研究得出最佳工艺 参数组合为：细磨压力1 8 p s i ，( i p s i = 6 8 9 4 7 6 p a ) 精磨压力2 4 p s i ，抛光压力1 8 p s i ， 抛光给水量2 0m l s 。 表2 - 2 正交设计的因素和水平 因素 水平 ( a ) 抛光给水量( b ) 抛光压力( c ) 精磨压力( d ) 细磨压力 ( m i s ) ( p s i )( p s i )( p s i ) l2 061 26 23 51 2 1 81 2 35 01 82 4 1 8 表2 3 济南青花岗石主要组分及物理性能 主要成分( )物理件能 s i 0 2a 1 2 0 ， c a o u g on a 2 0k 2 0 烧失比重抗压强度抗弯强度肖氏硬 量( k g m )( m p a )( m p a )度值 4 881 2 5 4 881 45 42 10 4 9 0 6 53 0 7 02 6 2 23 7 4 87 9 8 2 2 对石材加工研究情况的总结 由以上综述分析可知，随着对石材加工研究的不断深入，新的研究成果将不 断涌现，石材加工理论将不断完善。从目前研究现状来看，石材j , - r 研究具有以 下几个特点： ( 1 ) 大多的实验都是基于手扶磨机或改造的钻床上进行的，在这样的实验条 件下获得的工艺参数能否应用到较先进的磨抛设备、数控设备或加工中心上，这 个问题值得探讨。 ( 2 ) 对石材加工的实验研究大多集中在平面磨抛加工，而对于石材异型制品 加工的研究却是一片空白。当然，这与异型加工过程复杂、参数变化不定有很大 关系，但是，正是因为异型加工的这种难控制性，石材加工企业才迫切需要一套 用于异型加工的工艺参数，以提高异型制品加工的效率和质量。 ( 3 ) 在对平面磨抛加工的研究上，研究效果主要以最终的光泽度来衡量，参 数主要选择磨抛压力、给水量等，而没有考虑刀具的磨损状况以及各工序之间加 工预留量的多少，这些参数对磨抛加工质量及效率也影响较大。 2 3 生产中工艺参数选择使用现状 国内石材加工企业所用的工艺参数只是一些零碎的实验参数或者在生产中积 累的经验数据，至今还没有形成系统的异型制品加工工艺。一般异型；0 d - r 用磨轮 的工艺参数选择是参考圆柱形磨轮，取线速度2 5 3 0 m s ，冷却水量1 5 2 5 1 m i n “。 如加工i 4 圆弧异型面时，某